基于Citespace的物理演示實(shí)驗(yàn)可視化分析

袁 琳,孫敬姝,蓋學(xué)敏

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

近年來，物理演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷地推陳出新，并在教學(xué)實(shí)踐探索中延伸出了更多的研究方向，開拓出了更加廣闊的研究領(lǐng)域. 回溯并分析一定時(shí)期內(nèi)該領(lǐng)域研究成果的知識(shí)脈絡(luò)及發(fā)展歷程，有利于調(diào)整和確立物理演示實(shí)驗(yàn)未來的研究方向，起到“彰往而知來”的作用. 通過Citespace軟件構(gòu)建物理演示實(shí)驗(yàn)的科學(xué)知識(shí)圖譜，繪制、挖掘、分析和顯示過去一段時(shí)間內(nèi)物理演示實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)、時(shí)間線等要素及其相互關(guān)系，有助于了解和預(yù)測(cè)該領(lǐng)域的科學(xué)前沿和動(dòng)態(tài)，挖掘開辟新的未知領(lǐng)域，進(jìn)而為后續(xù)的物理演示實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)提供參考和研究方向.

1 數(shù)據(jù)收集、研究工具與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

在中國(guó)知網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫中，設(shè)定檢索條件：關(guān)鍵詞和主題為物理演示實(shí)驗(yàn)；檢索時(shí)間：2007—2017年. 檢索結(jié)果共有492條，除去會(huì)議通知、會(huì)議紀(jì)要、報(bào)紙、碩士論文，剩余期刊和會(huì)議論文共423條，將這部分文獻(xiàn)的標(biāo)題、關(guān)鍵詞、作者信息和摘要等數(shù)據(jù)導(dǎo)出為可以被Citespace識(shí)別的reforks格式，便于進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析.

1.2 研究工具

Citespace是由美國(guó)Drexel University信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授陳超美博士應(yīng)用Java語言開發(fā)的一款信息可視化軟件，建立在共引分析理論基礎(chǔ)上，利用尋徑網(wǎng)絡(luò)等算法，對(duì)一定限定條件下收集的特定領(lǐng)域內(nèi)的大量文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以期探索出該領(lǐng)域研究重點(diǎn)、熱點(diǎn)的演化路徑與節(jié)點(diǎn)，并通過多種可視化圖譜和表格形成對(duì)學(xué)科或主題演化的潛在動(dòng)力機(jī)制和發(fā)展前沿的分析與探測(cè)，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)基礎(chǔ)到研究前沿的映射[1].

1.3 研究方法

將知識(shí)圖譜和文獻(xiàn)信息計(jì)量學(xué)結(jié)合，采用詞頻分析、聚類分析、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析、時(shí)間線視圖分析法對(duì)時(shí)間分區(qū)等參量進(jìn)行設(shè)定后運(yùn)行程序[2]，得到物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究的各項(xiàng)分析圖譜，分析研究機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞等的相似性和測(cè)度，顯示物理演示實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)和研究前沿.

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 物理演示實(shí)驗(yàn)研究作者分析

作者群體的狀況集中體現(xiàn)了學(xué)科科研實(shí)踐的趨向，是某一學(xué)科領(lǐng)域科研活動(dòng)的縮影之一，通過對(duì)作者群體進(jìn)行研究，可以把握學(xué)科科研活動(dòng)的深度和廣度，對(duì)于科研活動(dòng)的管理、組織、協(xié)調(diào)和引導(dǎo)都有積極的意義[3]. 由表1可以得出結(jié)論:在2007—2017年間，各研究者的發(fā)文量總數(shù)較少且個(gè)體相互之間差距較小，最大發(fā)文量為3篇的作者有7位，個(gè)人發(fā)文的年限并沒有成線性關(guān)系且發(fā)文年限相對(duì)集中，即其研究并沒有保持長(zhǎng)久的持續(xù)性. 2007—2010年間，整體發(fā)文章總數(shù)處于急速上升階段，并于2010年達(dá)到了峰值，隨后數(shù)值逐步下降，但近2年又有所回升，目前正處于物理演示實(shí)驗(yàn)研究的上升期.

表1 研究作者統(tǒng)計(jì)表

圖1是通過最小樹法得到的物理演示實(shí)驗(yàn)研究作者知識(shí)圖譜，圖譜中節(jié)點(diǎn)之間的連線較少且中心性小，結(jié)果表明：各研究作者之間合作關(guān)系不明顯，多為獨(dú)立研究，且現(xiàn)有學(xué)者合作關(guān)系主要以“學(xué)緣”關(guān)系為主，具體表現(xiàn)為師生或者同事之間的聯(lián)合；少有跨區(qū)域、跨學(xué)校的“地緣”合作.

圖1 物理演示實(shí)驗(yàn)研究作者知識(shí)圖譜

2.2 物理演示實(shí)驗(yàn)作者機(jī)構(gòu)分析

作者機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)能夠顯示哪些研究機(jī)構(gòu)走在特定領(lǐng)域的研究前沿[4]. 選擇Institution為Citespace節(jié)點(diǎn)，得到如圖2所示的物理演示實(shí)驗(yàn)作者機(jī)構(gòu)知識(shí)圖譜.

圖2 物理演示實(shí)驗(yàn)作者機(jī)構(gòu)知識(shí)圖譜

圖2中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表不同作者所在的研究機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的大小取決于出現(xiàn)頻次的高低[5]. 圖2的數(shù)據(jù)顯示，整體格局分布比較分散，各研究機(jī)構(gòu)基本都是孤立的點(diǎn)，同一地區(qū)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)也沒有交集，頻次最高為5的研究機(jī)構(gòu)為黑龍江科技學(xué)院數(shù)力系，其次是頻次為4的安徽科技學(xué)院理學(xué)院，圖2中顯示的其他研究機(jī)構(gòu)如哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系、華東師范大學(xué)物理系、吉林大學(xué)物理學(xué)院等也是研究物理演示實(shí)驗(yàn)中不可或缺的力量. 總結(jié)可知物理演示實(shí)驗(yàn)的研究多在各大高校中進(jìn)行，物理演示實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用范圍具有一定的可擴(kuò)展性，除物理學(xué)以外的專業(yè)也可以采用演示實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行教學(xué)及研究.

2.3 物理演示實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)分析

詞頻分析法是利用能夠解釋或表達(dá)文獻(xiàn)核心內(nèi)容的關(guān)鍵詞或主題詞在某一研究領(lǐng)域文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻次高低，確定該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)和發(fā)展動(dòng)向的文獻(xiàn)計(jì)量方法[6]. Citespace中的Term來源是文章的關(guān)鍵詞部分，運(yùn)行結(jié)果得到如圖3所示的物理演示實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)知識(shí)圖譜.

圖3 物理演示實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)知識(shí)圖譜

圖3中節(jié)點(diǎn)代表物理演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)的聚類，如物理演示實(shí)驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)最大，證明收集的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中，該詞匯出現(xiàn)的頻次越多，即針對(duì)該部分的研究量最大；節(jié)點(diǎn)位置位于中心表明其在該研究領(lǐng)域中處于核心地位. 由圖3可知：大學(xué)物理是演示實(shí)驗(yàn)研究中比重較大的部分，遠(yuǎn)高于中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)；節(jié)點(diǎn)圓環(huán)標(biāo)識(shí)中，可根據(jù)內(nèi)部的顏色和寬度表示各時(shí)段內(nèi)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容出現(xiàn)的頻數(shù)；凸顯點(diǎn)代表新興研究領(lǐng)域. 節(jié)點(diǎn)間的連線能夠體現(xiàn)出共現(xiàn)關(guān)系，連線的粗細(xì)程度反映共現(xiàn)強(qiáng)度，連線顏色對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)首次共現(xiàn)的時(shí)間，根據(jù)連線顏色變化顯示其隨時(shí)間發(fā)展變化情況[7]. 其中，深色節(jié)點(diǎn)如“演示實(shí)驗(yàn)”具有較高的中心性，可有效連接網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，起承接作用，屬于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn).

經(jīng)過聚類后，得到圖4，聚類頻次最高的詞是“演示實(shí)驗(yàn)”，這與本次研究的檢索式一樣，不參與后續(xù)討論. 剔除“演示實(shí)驗(yàn)”后得到的聚類頻次較高、中心性較高的關(guān)鍵詞有：大學(xué)物理、教學(xué)效果、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)改革、思維能力、教學(xué)模式等，這些關(guān)鍵詞主要可以被分為理論與時(shí)間兩大類，隨后研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力方面的研究. 圖4中突增率最高的詞為物理實(shí)驗(yàn)、物理現(xiàn)象、教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)演示，說明這些方面的發(fā)展勢(shì)頭較猛，是物理演示實(shí)驗(yàn)研究過程中在某一時(shí)間段內(nèi)受到關(guān)注最多的領(lǐng)域，即研究重點(diǎn)，具有一定的研究?jī)r(jià)值. 在后續(xù)的研究中，可以針對(duì)這些研究重點(diǎn)，結(jié)合創(chuàng)新知識(shí)進(jìn)行再研究.

在同一聚類標(biāo)簽下，包括許多被劃分的同類詞匯，見表2.

圖4 物理演示實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)聚類圖

表2 聚類標(biāo)簽下具體分類詞匯

續(xù)表2

圖譜由最中心的物理演示實(shí)驗(yàn)逐漸演化出了整個(gè)研究體系,且主要分為2類:一類是自主研制儀器或者改進(jìn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等的設(shè)計(jì)類論文，一類是課程與教學(xué)論方面的理論研究. 研究認(rèn)為若詞匯的中心性超過0.1，則說明其有較強(qiáng)的影響力，即該詞的承上啟下作用越大，也證明了研究熱點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系越強(qiáng). 對(duì)應(yīng)表3可探悉出現(xiàn)有研究的知識(shí)邏輯演進(jìn)脈絡(luò)，圍繞演示實(shí)驗(yàn)、物理演示實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)效果、教學(xué)改革、大學(xué)物理教學(xué)展開的研究為其主要內(nèi)容，在這些研究熱點(diǎn)之外，對(duì)其他主題的關(guān)注度也有待提高.

表3 熱點(diǎn)關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)表

2.4 物理演示實(shí)驗(yàn)時(shí)間線視圖分析

時(shí)間線視圖5主要側(cè)重于聚類之間的關(guān)系和單個(gè)聚類中文獻(xiàn)的歷史跨度[8]. 圖5中橫向坐標(biāo)軸代表被收集文獻(xiàn)的發(fā)表時(shí)間，即2007—2017年，縱軸表示物理演示實(shí)驗(yàn)聚類的節(jié)點(diǎn). 引文年輪的顏色對(duì)應(yīng)引文時(shí)間，年輪的厚度與該時(shí)間段內(nèi)引文數(shù)成正比. 如圖5所示，縱向分析結(jié)果與上述聚類圖分析結(jié)果一致. 橫向分析可以發(fā)現(xiàn)，早期物理演示實(shí)驗(yàn)關(guān)注的焦點(diǎn)主要集中在“物理演示實(shí)驗(yàn)”上，隨實(shí)踐發(fā)展，逐步向“教學(xué)改革”、“教學(xué)模式”過渡. 近年來，“素質(zhì)教育”、“創(chuàng)新”、“教學(xué)設(shè)計(jì)”則成為學(xué)者們重視的研究領(lǐng)域，這是從關(guān)注課程本身到關(guān)注學(xué)生發(fā)展的觀念轉(zhuǎn)化，也是研究前沿的演進(jìn)方向的轉(zhuǎn)變.

圖5 物理演示實(shí)驗(yàn)時(shí)間線視圖知識(shí)圖譜

2.5 不足之處

本研究也存在不足，其主要原因在于：數(shù)據(jù)來源于中國(guó)知網(wǎng)，由于該數(shù)據(jù)庫沒有開放引文部分，所以缺乏引文方面的深入分析. 在具體操作時(shí)，數(shù)據(jù)檢索的全面性、Citespace的參量選取和閾值設(shè)定等方面有一定的主觀性. 此外，CNKI收錄的文獻(xiàn)有限，不能完全代表物理演示實(shí)驗(yàn)發(fā)展的狀況.

3 結(jié)論與建議

通過繪制以物理演示實(shí)驗(yàn)為主題論文的各類可視化圖譜，以圖譜方式揭示了物理演示實(shí)驗(yàn)的科研整體狀況. 得出如下結(jié)論與建議：

1)10年間每年發(fā)表的文獻(xiàn)總數(shù)在10～30篇，略有起伏但總體較為平緩，發(fā)表論文總數(shù)較少，對(duì)于物理演示實(shí)驗(yàn)方面的研究有待增加.

2)通過對(duì)研究者分析，發(fā)現(xiàn)各研究者的研究多建立在“學(xué)緣”基礎(chǔ)上，相互之間聯(lián)系較少，建議增強(qiáng)校際合作，集思廣益.

3)通過作者機(jī)構(gòu)知識(shí)圖譜可知，高校為目前物理演示實(shí)驗(yàn)研究的核心機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)，也有部分中學(xué)教師參與研究. 此種情況下，建議增加中學(xué)生和中學(xué)教師走進(jìn)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)基地等活動(dòng)的開展，實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理和大學(xué)物理更好銜接.

4)分析標(biāo)引詞和關(guān)鍵詞聚類結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頻次和中心性排名前20的關(guān)鍵詞集中在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，但是較為籠統(tǒng)，多是理論方面的研究，建議微觀與宏觀相結(jié)合，從整體的教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)到具體課堂如何教學(xué)、實(shí)驗(yàn)如何設(shè)計(jì)等都要結(jié)合時(shí)代背景和技術(shù)條件進(jìn)行創(chuàng)新與整合.

5)分析物理演示實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)的時(shí)間線視圖，可以了解研究主題隨時(shí)間變化的情況. 物理演示實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域早期研究的熱點(diǎn)集中在教師的教上，現(xiàn)在逐漸轉(zhuǎn)移到學(xué)生的學(xué)上，強(qiáng)調(diào)能力的培養(yǎng)而不只是知識(shí)的傳授，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新精神、動(dòng)手能力、觀察能力等的培養(yǎng)具有一定的積極意義.

[1] 文庭孝，劉曉英. 我國(guó)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)研究的可視化分析——基于三種可視化工具的比較分析[J]. 圖書館，2016(2)：21-27.

[2] 劉冬梅. 中小型高校圖書館文獻(xiàn)傳遞數(shù)據(jù)研究——以北京農(nóng)學(xué)院圖書館基于Citespace的可視化分析為例[J]. 農(nóng)業(yè)圖書情報(bào)學(xué)刊，2016，28(10)：83-86.

[3] 邱均平，馬瑞敏. 基于CSSCI的圖書館、情報(bào)與檔案管理一級(jí)學(xué)科文獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)研究[J]. 中國(guó)圖書館學(xué)報(bào)，2006，32(1)：24-29.

[4] 張永山. 《情報(bào)科學(xué)》2009年文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析[J]. 情報(bào)科學(xué)，2010，28(11)：1661-1665,1692.

[5] 趙來娟. 國(guó)內(nèi)移動(dòng)圖書館研究熱點(diǎn)可視化分析[J]. 農(nóng)業(yè)圖書情報(bào)學(xué)刊，2015(8)：46-51.

[6] 邱均平，溫芳芳. 近5年來圖書情報(bào)學(xué)研究熱點(diǎn)與前沿的可視化——基于13種高影響力外文源刊的計(jì)量研究[J]. 中國(guó)圖書館學(xué)報(bào)，2011，37(3)：51-60.

[7] 劉清泉，趙偉，李成增. 2000～2011年招生就業(yè)的文獻(xiàn)計(jì)量分析[J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，30(6)：58-62.

[8] 劉冬梅. 國(guó)內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可視化分析——基于Citespace圖譜計(jì)量分析[J]. 農(nóng)業(yè)圖書情報(bào)學(xué)刊，2016，28(9)：51-54.